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Optische Einrichtung fUr Bearbeitungslaser ----------------------
Schon
kurz nach Entdeckung des Laserprinzips mrurde -erkannt, daß sich die insbes.ondere
mit-Festkörperlasern erzeugbare energiereiche Strahlung zur Bearbeitung sowohl organischer
als auch anorganischer-Stoffe verwenden-läßt. -basich der--Laserstrahl wegen seiner
beugungsbegrenzten-Eigenschaften auf eine Pläche von wenigen/u Durchmeßser foku-sAieren
läßt, können mit einem solchen Strahl.ine.-besondere bei Metallen Feinstbohrüngen
und Schweißverbindungen
sehr kleiner Abnessungen mit hoher Präzission
hergcsfollt werden. Als Bearbeitungslaser kommen z.B. Rubinlaser in Betracht.
Das Arbeiten mit dem Laserstrahl macht es notwendig, äas -zu bearbeitende Objekt
während der Durchführung eines Arbeitsvorganges betrachten zu können. Da die Einwirkung
des Laserstrahls mit Rücksicht auf die begrenzte zur Verfügung stehende-Energie
auf eine relativ kleine Fläche von ca. 10 bis 1000-/u beschränkt ist, muß
die Eeobachtungseinrichtung gleichzeitig vorgrößernd wirIcan.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Bearbeitungslaser
der einleitend beschriebenen Art eine geeignete Beobachtungseinrichtung anzugebeA,
die einerseits den Arbeitsort des Laserstrahls dem Betrachter vorgrößört darbietet
und sich andererseits leicht und schnell an die wechselnden-Arbeitsbedingungen anpassen
läßt. Ausgehend von einer optischen Einrichtung für Bearbeitungslaser zur Fokussierung
des Laserstrahls in der Ebene des Bearbeitungsobjektes (Laseroptik) und zur Beobachtung
des Arbeitsortes des Laserstrahls (2eobach-L-lungsoptilic), wird diese Aufgabe gemäß-der
Erfindung dadurch geldst, daß die Laseroptik und das Objektiv der Beobachtungsoptik
zueinander konzentrisch und nach Art eines Teleskops in
der optischen
Achse der Laseroptik relativ,gegeneinander verschiQbbar angeordnet sind.
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Unter- Berücksichtigung der für die Fokuss-:Lertmg des Laserstrahls
eines Bearbeitungslasers stets erforderlichen Iaseroptik wäre es denkbar-, die Laseroptik'ui-n,#iittel,bar
in-dic Beobachtungsoptik mit einzubeziehen, d.h. dic-Lase'roptik, gleichzeitig
als Objektiv der Beobachtungsoptik zu verwenden.
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Die 1-,-#seroptik darf mit Rücksicht auf die hohe Intensiträ#t
des Laserstrahls 'keine gekitteteii Linsen verwenden, vile sie zur Kompensation
chromatischer Fehler bei-Optike3i allgemein üblich. sind. Der Laseristrahl würde
in kürzester Zeit diese gekitteten Übergänge zerstöre-ii. Die Laser-,otik läßt mit
anderen Worten eine Konrensatilonder ebronatischen Fehler der verwendeten Linsen,
wie sie für eine eiiii."andfreie und scharfe Betrachtung des Arbeitsortez-des Las#a-rstrahles
praktisch unerläßlich ist, nicht zu. Abgesehen davon,- ließe sich die so ausgebildete
Eeobaelitv,n-so,otik nichIt-. an die von einem Laserstrahl durchzuführenden verschiedenen
A12beitsvorgänge anpassen.-Zwar 1-."- äre ",e-i einer Bohr u ng der Laserstrahl-
-auf dIe Ober-f-1.:liche deG zu. bohrenden '"lei,]"stück,- fokussiert und _damit
.,auch die Beobtichtungsoptik für diesen Bearbeitungsort
scharf
eingestellt. Bei Herstellung einer Schweißstelle zwischen zwei Metallteilen-ist
es jedoch in der Regel notwendig, den liaserstrahl unterhalb oder oberhalb der durch
die-beiden zu verbindenden Yletallteile gegebenen Ebene zu fokussieren. In diesem
Falle muß dann die Beobachtungsoptik den Betrachter ein unscharfes Bild
das
Arbeiteortes vermitteln.
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Untev.Berücksichtigung dieses-Sachverhaltes bietet sich als weitere
Lösung der getrennte Aufbau von Laser- und Bearbeitungsoptik an, wobei nunmehr
die Laseroptik und die Beobachtungsoptik hinsichtlich der Bearbeitungoebene
des Laserstrahls einen räumlich verschiedenen 1,finl"oul einnehmen müssen. In der
Regel würde diQ Anordnung-so vorgenommen werden müssen,,daß die Laseroptik mit ihrer
optischen Achse senkrecht und die Beobachtungsoptik mit ihrer optischen Achse-unter
einem spitzen Winkel zur Bearbeitungsebene, des laEorstrahls ausgerichtet ist.
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Dac Blickfäld,der Beobachtungsoptik wäre bei dieser Schräglage natürlich
erheblich eingeengt, so daß Bearbeitungsvorgänge an Werkstücken mit Vertiefungen,
Leispielst.,eise Nuten, innerhalb der der Laserstrahl zur Anurendung gelangt, nicht
mehr eingesehen %-"erden können.
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Alle diese Schwierigkeiten werden durch die erfindungsgemüße
konzentrische
Anordnung von-Laseroptik und Objektiv der Beobacht,ungsoptik.in Vb rbindung-mit
ihr-er gege-ns eitigen Verschiebbarkeit in, ihrer optischen. Achse in7 -außerordent-'-lich
-vorteilhafter Weisv überVunden.
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Das Objektiv der Beobachtungsoptik-kann, -sofern der Durchnesser der
laseroptik nicht.,allzu groß bemessen ist,-in einfacher Weise aus einer die Laseroptik
umschließenden Ringlinsc bzw. Ringlinsenanordnung bestehen.
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Die Fokussierung des Iasersträhls auf, eine Fläche mit einem Durchmesser
von 10"bis 1000p, wie sie-für Bearbeitungsläser mit einer--begrenzten Leistung
. -von ca. 10 kIT erforderlicht ist, um die für die Nateri-albearbeitung
erforderliche Energieflächenbelastung zuerhalten"-setzt einen ausreichend großen
Öffnungswinkel des liinsensystens voraus. Bei einem.Durchmesser von ca.
10 mm des vori Laser in Form eine's Parallelstrahls gelieferten Lichtstrahls
bedeutet dies eine Brennweite der Fokusaierungslinse.in' der Größeno rdnung von-25
mm. Somit muß bei Verwendung einer einzigen Sammellinse die diese Sar.mellinse darstellende
Laseroptik bis auf.ca.-25 mm an'den.,Ärbeitsort des Easorstrahls herängeführt*werden.
Dieser geringe Abstand ist für-viele An#",endungßfä,lle unerwünscht, wöil das vordampfende
bzw. aufspritzende Material beim Bohren oder#
Schweißen des Bearbeitungsobjektes
sich auf der Linse niederschlägt bzw. deren Oberfläche beschädigt. Aus diesem Grunde
ist es zweckmäßig, die Laseroptik durch Verwendung weiterer Einsen so zu
bemessen, daß sie bei gegebener kleiner Brennweit-c einen ausreichend großen Arbeitsabstand
vom Bearbeitungsobjekt aufweist. Bei vorgegebenen Öffnungswinkel der Laseroptik
bedeutet dies, daß der Durchmesser der Optik um so größer bemessen werden muß,
je, größer der gewünschte Arbeitsiabstand sein soll. Bei größerem Durchmesser
der Laseroptik ist es zweckmäßig, das Objektiv der Beobachtungsoptik durch zwei
auf einander gegenüberliegenden Seiten der Laseroptik in gleicher Höhe angeordnete
Linsen bzi-.,. Linsenanordnungen zu verwirklichen.
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Bei einen bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist das
Objektiv der Laseroptik sowohl relativ zur Beobachtungsoptik und zum Bearbeitungsobjekt
als auch zusammen mit der Beobachtungsoptik relativ zum Bearbeitungsobjekt verstellbar
ausgeführ-It-.. Dadurch ist nämlich erreicht, daß die Laseroptik nicht jeweils neu
eili&Qstellt ivrerden muß, -v.enn im Zuge eines Arbeitsvorgangs die Beobachtur-gsopüik
relativ zum Bearbeitungsobjekt zu verändern ist.
Um eine
bequeme Beobachterstell'ung zu ermögliehen, ist es-im allgemeinen sinnvoll,. die
optischen Achsen von Okular und, Objektiv der Bedbachtungeoptik miteinander einen
vorgegebenen Winkel binschließen zu, - -lassen und. die hierdurch erforderliche-Strahlumlenküng
durch Spiegel bzw. Priemen in.,geaig.neter Anordnung vorzunehmen..
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An Hand von in
der Zeichnung dargestellten, Ausführungsbeis'pielen
soll die Erfindung-im folgendenn-Och'näher -erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten.e.
| Fig. 1 eine optischeEihrichtung na-eh der ErfindÜng,- |
| Fig. 2 eine weitere optische Einrichtung nach
der |
| Erfindung- |
In der die optische-Einrichtung nach der Erfindung schematisch derstellenden Fig.
1 bedeutet
1 das die.- Itäser-und die Beobachtungsoptik umfassende-Gehäuse#,
2- ein Kreuggählitten und
3 das vom Laserstrahl zu bearbeitende Werkstück.
ter las'erstrahl 4, de:'ü von oben durch-das Gehäuse
1 und die laseroptik
5-auf das Werkötüc-k
auftrifft, wird beim Durchgang durch die Laseroptik
5
im Bereich des Werkstück'.o
3 fokussiert. Im vorliegenden Fall ist
der Arbeiteabstand der Laseroptik
-5 vom Werk-#stück
3 so eingestellt,
daß der Brennp unkt des Laserstrahls etwa-in, die Ebene der Oberfläche des Kreuzschlittens
2 zu liegen kommt. Eine solche Einstellung wird beispielsweise beim Schweißen vorgenommen,
um
eine ausreichend kroße Schweißstelle zu erhalten. Die Beobachtungsoptik
weist ein Objektiv
6 auf, das konzentrisch zur laseroptik #.und gegen diese
verstellbar angeordnet ist. Dieses Objektiv kann im einfachsten Falle aus einer
Sammellinse mit einer konzdntrischen Bohrung bestehen, die die Laseroptik aufnimmt.
Auf diese Weise wird erreichtt daß die optische Achse der Laseroptik mit der optischen
Achse des Objektivs der Beobachtungcoptik zusam.enfällt.- Im vorliegenden Fall ist
das Objektiv
6 der Beobachtungsoptik gegenüber der Laseroptik
5 in
4er optischen
Achse verschoben, und zwar
ab, daß das Objektiv
6 auf den Arbeitsort des Laserstrahla 4 scharf eingestellt -iat. Das Okular
7 der Beobachtungsoptik,ist seitlich am Gehäuse
1 angebracht. Die
Strahlumlenkung in Richtung der optischen Achse des Objektivs
6 erfolgt durch.Spiegel
8, die auf beiden Seiten des Laserstrahls 4 in Höhe des Okulare
7 im Gehäuse angeordnet sind. An Stelle der beiden Spiegel
8 kann
auch
ein Ringspiegel verviendet seine durch dessen-Öffnung de-r
Laserstrahl 4 hindurchtritt.# 'Ein in Strahlengang zwis chen Okular
7 und
L.aserstrahl 4 angeoxd.ne-te-s Fi-1te#rglas 9-gei-jährleistet den erforderlichen
Augengchutz.des BetrachterG hinsichtlich-des Lasowlichtes.
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Der A.rbcitsabstand der laßeroPtik 5 vom ','Teickstück
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wird zi.,reckmäßig durch, Heben oder Senken des beide-_ Optiken' umfassenden
Gehäuses 1 eingestellt. Auf diese WeiseIst es möglich, bei feste.r-relativer
Einstellung zwischen der Laseroptik 5 und:dem-Objektiv 6 der Beobachtüngsoptik,
beispielsweise bei schrägflächigen Werkstücken, die Laseroptik zur GewährleIstung
eines konstanten Arbeit-s-, abstandes nachzuführen.
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Eine Laseroptik, die bei kleiner Brennw.eite#eine hiergegen großen
Arbeitsabstgnd.auf%-te'ist, zeigt die,Fig. 2 im S-chnitt. Hierin-bedeuten
10 das-die Optik umfassende GehLtiuse, 11 eine erste Linse, und zwar
eine Zerstreuungslinse auf seiten des vom Bearbei tungslaser-ausgehenden
Laserstrahls 4 und 12 und 1-3 zwei SammeIlinseni Die Zerstreuungslinse 11
weitet den Laserstrahl-gegen die Sammellinse 12 auf, die ihn gegen die zweite Sammellinse
13 hin, in einen Parallelstrahl mit entsprechend größerem-Durchmesser umformt,
Die Sammellinse 13, tileder'um.fokussiert
dan Laserstrahl 4 im
gewünschten Arbeitsabstand, der hierbei der Brennweite der Sammellinse
13 entsprich% Die Aufleitung des Laserstrahls 4-zur Gewinnung eines größeren
Arbeitsabstandes bei gleichem Öffnungswinkel der Optik entsprechend einer Sammellinse
mit wesentlichgeringerer Brennweite, bedingt eine entsprechend dem gewünschten Arbeitsabstand
proportionale Vergrößerung des Durcbmessers der Laseroptik, Entsprechenü größer
muß dann auch-die Ringlinsenanordnung bemcssen welden, die das Objektiv der Beobachtungeoptik
darstellt. Bei größerem Durchmesser würde diese Ringlinsenanordnung sehr aufwendig
werden. Aus diesem Grunde ist es sinnvoll, hier an Stelle von Ringlinsen zwei ein
Doppelobjektiv darstellende Linsen bzw. linsenanordnungen zu verwenden, die auf
einander gegenüberliegenden Seiten in gleicher Höhe der Laseroptik angeordnet und
so bemessen sind, daß ihr gemeinsamer Fokus inJie optische Achse der Laseroptik
zu liegen kommt.
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Der Vollständigkeit halber ist in der Fig. 2 ein solches aus -zwei
Einzelobje ktiven aufgebautes Objektiv für eine in der Regel binokulare Beobachtungsoptik
ebenfalls s - -
schematisch dargestellt. Jedes der beiden EinzelobjektIve
weist
auf seiten des, Okulars ein TJmlcrür.prisma 14,-* 141 -auf dem sich auf seiten
den vom . laserstrah,1 4.zu-bearbeitenden Werkstückes 31 eine Sam-ellinse
15, 151 in der für die Fokussierung derUld-.trählen 16, 161 in de:r-optischen
Achse der,laseroptik erforderlichen Schräglage-anschließt.